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Universidade Federal de Santa Maria – UFSM Educação a Distância da UFSM – EAD Universidade Aberta do Brasil – UAB
Curso de Pós-Graduação em Eficiência Energética Apl icada aos Processos Produtivos
Polo: Novo Hamburgo
EFICIENTIZAÇÃO DO SISTEMA DE ÁGUA GELADA PARA
CONDICIONAMENTO DE AR DA SALA LIMPA DE UMA INDÚSTRI A
DE SEMICONDUTORES ATRAVÉS DO CONTROLE DE
DIFERENCIAL DE PRESSÃO DAS BOMBAS DE DISTRIBUIÇÃO D E
ÁGUA
POLETTO HÖEHR, Eduardo1
HOFFMANN, Ronaldo2
MAYER, Flávio Dias3
RESUMO
Este projeto visa à melhoria energética do processo de condicionamento de ar para
uma sala limpa de uma indústria de semicondutores através da redução do consumo
de energia elétrica e da otimização do sistema de distribuição de água gelada
utilizada.
O sistema de distribuição secundário da água gelada utilizada é controlado pela
1 Engº Mecânico. Universidade de Santa Maria, Santa Maria, RS 2 Dr. Engº Químico. Professor Orientador. Universidade de Santa Maria, Santa Maria, RS 3 Dr. Engº Químico. Coorientador. Universidade de Santa Maria, Santa Maria, RS
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vazão e pelo diferencial de pressão de água entre entrada e saída do sistema
através sete bombas de distribuição de água gelada. A fim de reduzir-se o consumo
energético do sistema de condicionamento de ar, encontrou-se um set point com
menor diferencial de pressão que possibilitou que as bombas entreguem ao sistema
de água gelada apenas a quantidade de energia necessária para reduzir a água até
a temperatura de 8ºC possibilitando a redução da rotação dela sem sua utilização.
Entre os dois casos estudados foram alcançados uma redução de consumo de
energia elétrica de até 7,7% em relação à condição inicial sem afetar a operação do
sistema. Para o circuito de água gelada dos MAHU a estimativa de economia é de
até 12.878,89 kWh/ano, ou R$ 3.357,62. Para o circuito de água gelada de PCW,
UPW e CDA a economia estimada é de 12.099,94 kWh/ano, ou R$ 3.154,54. Ao
total pode ser estimada uma economia de até R$6.512,16 por ano apenas com
alterações de parâmetros operacionais, sem a necessidade de investimentos para
esta melhoria de eficiência energética.
Palavras-chave : Condicionamento de ar, controle operacional, Eficiência
energética.
ABSTRACT
This project aims to improve energetically the air conditioning process for a
semiconductor industry clean room by reducing the energy consumption and the
optimization of the chilled water distribution system. The secondary loop of chilled
water used is controlled by the flow rate and the differential pressure between inlet
and outlet water through seven pumps. In order to reduce the energy consumption of
the air conditioning system, the proposal is to find a set point with a lower differential
pressure that will provide only the necessary energy required by the system to
reduce the water to 8ºC enabling the reduction of their utilization. A reduction of
energy consumption up to 7,7% was achieved compared to the initial condition with
no effect on the system operation. For the MAHU chilled water circuit the estimated
savings is up to 12.878,89 kWh/year, or R$ 3.357,62. For the PCW, UPW and CDA
chilled water circuit the estimated savings is 12.099,94 kWh/year, or R$ 3.154,54.
The total savings can be estimated up to R$ 6,512.16 a year just on operational
parameters changes without the need for investment to this improvement of energy
efficiency.
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Keywords : Air Conditioning, operational control, Energetic efficiency.
1 INTRODUÇÃO
Em uma indústria de semicondutores o processo de fabricação de chips é
extremamente complexo e as dimensões de fabricação são muito pequenas,
atingindo escalas micrométricas (µm) para fabricação dos circuitos integrados destes
componentes.
Devido a este grande grau de precisão no processo de fabricação, o
ambiente deve ser rigorosamente controlado em sua temperatura, umidade do ar e
número e tamanho de particulados dispersos no ambiente. Este ambiente é
chamado de “Sala Limpa”.
A Ceitec S.A (Centro Nacional de Tecnologia Eletrônica Avançada),
localizada na cidade de Porto Alegre/RS, possui uma sala limpa com uma área de
1.794 m² classificadas como Classe ISO 5 e ISO 7 conforme a norma ISO 14644-1.
Isto quer dizer que nas salas Classe ISO 5 é permitido no máximo 100 partículas de
até 0,5 µm de tamanho por m³ e nas salas de classe ISO 7 até 10.000 partículas de
até 0,5 µm de tamanho por m³. A temperatura de controle é de 21°C ±1,0 e umidade
relativa de 45% ±3.
Este controle é realizado por duas unidades de condicionamento de ar que
distribuem ao todo 66.500 m³/h de ar em um plenum, que é uma área livre acima da
sala limpa onde a partir daí o ar é distribuído dentro das salas de fabricação através
de um fluxo laminar de escoamento de ar. Abaixo do plenum, entre a sala e o forro
existem filtros com serpentinas de resfriamento por água gelada com controle por
válvulas reguladoras em função da temperatura da sala onde o ar flui do plenum
para a sala limpa para um controle final de temperatura e particulados.
Na Figura 1 pode ser visualizado o esquema de funcionamento de controle
de uma sala limpa, classes 5 e 7.
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Figura 1 – Esquema construtivo de distribuição de ar de uma fábrica de semicondutores.
Fonte: Adaptado do ASHRAE Handbook (2007).
Os condicionadores de ar utilizados são chamados de MAHU, ou Modular
Air Handling Unit e o processo de condicionamento do ar é realizado através das
seguintes etapas:
• Amortecedores elétricos ativos – Objetivo: isolar o MAHU quando forem desligados.
• Pré-filtros – Objetivo: Primeira etapa de filtragem de ar – 10 µm. • Serpentina de preaquecimento – Objetivo: aquece o ar (se solicitado)
a um ponto definido a fim de condicionar o ar antes de adicionar umidade no umidificador. Também fornece proteção de congelamento para outras serpentinas.
• Filtros de saco – Objetivo: 2ª etapa de filtragem do ar – 1 µm. • Serpentina de resfriamento (HTCH) – Objetivo: trabalha com a
serpentina de preaquecimento a fim de condicionar o ar antes de umidificar.
• Umidificador – Objetivo: adiciona umidade ao ar para saturá-lo em 100%. O umidificador usa água de reposição UPW e uma lâmpada UV para prevenir formação de bactérias.
• Desumidificador – Objetivo: remove e adapta a umidade do ar para atingir a umidade desejada.
• Serpentina de reaquecimento – Objetivo: faz o ajuste final de temperatura para ser insuflado até a sala limpa.
• Ventiladores de abastecimento (2 por MAHU) – Objetivo: Leva o ar através do MAHU e fornece controle de pressão na sala – total de 66.500 m³/hr.
• Filtros HEPA – Objetivo: Filtragem final do ar - 0.3 µm.
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Figura 2 – Sequencia de funcionamento dos MAHU (Modular Air Handling Unit).
As serpentinas de resfriamento dos MAHU são alimentadas com água
gelada, onde se utiliza um sistema de refrigeração de expansão indireta, contando
com unidades resfriadoras de água do tipo chillers, torres de resfriamento, bombas
de água gelada, bombas de água de condensação, aquecedores de água-boilers,
bombas de água quente, trocadores de calor, válvulas de bloqueio e, válvulas de
duas ou três vias. O sistema de água gelada instalado é do tipo primário-secundário,
conforme visualizado na Figura 3.
Figura 3 – Exemplo de sistema primário-secundário de água gelada
Fonte: Johnson Controls, 2006.
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O circuito secundário do sistema de água gelada de alta temperatura da
empresa Ceitec possui sete bombas de distribuição alimentadas por inversores de
frequência VSD que são controlados por um set point de um sensor de pressão
localizado na descarga da bomba para regular a vazão deste circuito.
Este estudo visa avaliar a possibilidade de redução do diferencial de
pressão que controla os variadores de frequência das bombas, reduzindo seu
consumo de energia elétrica, mas mantendo o pleno funcionamento do sistema.
Para isto, serão realizadas modificações de do diferencial de pressão a fim
de medir as consequências desta modificação, como vazão e temperatura de água
gelada com a finalidade de manter as condições operacionais do sistema e também
medir a redução de frequência de utilização das bombas para calcular a redução do
consumo energético do sistema de condicionamento de ar.
2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Busch (1998) inicia os primeiros estudos em busca de melhorias de
eficiência energética em sistemas de condicionamento de ar e ventilação na
indústria de semicondutores comparando duas instalações através de simulações no
software DOE-2, selecionando uma situação padrão de instalação e comparando
com uma situação com índices energéticos de melhor eficiência, calculando assim o
potencial de ganho energético de instalações de indústrias de semicondutores. Um
dos principais aspectos a serem observados neste estudo é a distribuição e
potencial de redução de consumo da energia nos subsistemas de condicionamento
de ar, mostrado na Figura 4.
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Figura 4 – Uso final de consumo anual de energia elétrica para dois casos de sala limpa
Fonte: Adaptado de Busch, 1998.
Matsuki e Tanaka (1998) fazem um estudo comparativo entre três sistemas
de insuflamento e distribuição de ar em fluxo laminar em salas limpas de fábricas de
semicondutores, comparando os sistemas FMU (Fan Module Unit), FFU (Fan Filter
Unit) e RCF (Recycle Fan). A Figura 5 mostra o esquemático dos três sistemas
apresentados.
Figura 5 – Diagramas esquemáticos de sistemas de distribuição de ar
Fonte: Adaptado de MATSUKI M. e TANAKA N., 1998.
O sistema FMU consiste em ventiladores que insuflam ar para uma câmara
de filtros assim distribuir o ar para sala limpa em fluxo laminar de escoamento sem a
necessidade de dutos, integrado com o prédio. Cada ventilador tem a capacidade de
insuflar ar para dois ou mais filtros. É o sistema que apresentou menor custo de
operação, pois pode ser mais bem dimensionado por apresentar a menor perda de
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carga entre os sistemas, reduzindo em até 53% o custo de energia com relação ao
sistema RCF.
O sistema RCF é também chamado de “sistema central”, onde um ar
condicionado central distribui o ar para dutos que são levados até a câmara de
suprimento e sala limpa. Este sistema é de mais fácil instalação mas é mais robusto
e solicita um maior pressão de ventilação devido as perdas de cargas dos dutos
serem maiores, aumentando o custo de operação.
O sistema FFU é semelhante ao FMU, porém há um ventilador instalado
para cada filtro, aumentando entre 5 e 10 vezes o número de ventiladores do
sistema. Isto aumenta o custo de instalação, mas os custos energia e operação são
semelhantes aos do sistema FMU. A fábrica da Ceitec possui instalado um sistema
de insuflamento do tipo FFU.
Hu et al. (2008) realiza um benchmarkt em diversos subsistemas de
Facilities (Utilidades) em fábricas de semicondutores em wafers de 8 in., montando
índices de consumo de energia para os subsistemas da fábrica, como: sistema de
água gelada, sistema de condicionamento de ar, exaustão geral, exaustão de
solventes, exaustão de ácidos, exaustão de alcalinos, sistema de nitrogênio, ar
comprimido, água gelada de processo, e água ultra pura. A partir destes índices,
podem-se comparar sistemas de diferentes fábricas e mensurar se o consumo de
energia para determinado sistema está dentro dos padrões de consumo de outras
fábricas. Como exemplo, o índice de consumo para as bombas de água gelada e
torres de resfriamento são de 0,058 kW/kW (consumo de eletricidade por carga
térmica de resfriamento) no inverno e 0,064 kW/kW no verão.
O Guia de informações técnicas em heating, ventilating and air conditioning
(HVAC) da Johnson Controls (2006), que é a fabricante dos chillers da Ceitec,
realiza uma descrição técnica de sistemas de água gelada e detalha o
funcionamento dos tipos de instalações, como circuito primário de água gelada,
circuito secundário de água gelada e vazão variável de água com circuito primário-
secundário, explicando a evolução e características de dos sistemas e apresenta as
vantagens do sistema de circuito primário.
Taylor (2002) compara sistemas de água gelada de circuito primário e
sistemas primário-secundário de vazão variável, indicando que os sistemas
primários são mais modernos e apresentam uma maior eficiência energética, por
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possuirem um número menor de bombas em seu sistema, em uma instalação
simplificada. Porém, seu funcionamento é mais complexo e exige mais atenção em
sua operação, estando sujeito a falhas com maior frequencia que sistemas primário-
secundário, que possuem maior confiabilidade de operação.
Dissasekera (2010) apresenta um estudo para controle de equipamentos de
suporte dos chillers, visando reduzir seu custo operacional, aumentar a estabilidade
da temperatura e vida útil do equipamento. Este estudo avalia a utilização de
parâmetros críticos com algaritimos que calculam a carga térmica necessária e
ajusta variáveis de saída para otimizar o número de compressores e bombas de
água em funcionamento, reduzindo assim o consumo energético do sistema. O
principal ganho é o aumento de estabilidade de temperatura, que assim elimina
picos de corrente de energia que podem reduzir em torno de 5% o consumo de
energia elétrica.
Lu e Cai (2002) propõe uma nova forma de controlar os variadores de
velocidade das bombas do circuito secundário de água gelada analisando a relação
entre o diferencial de pressão e vazão de água gelada, astravés de uma série de set
points que podem ser encontrados e controlados por estas variaveis, onde os set
points das bombas de água fornecerão apenas a energia necessária para a
realização da troca de calor, otimizando o funcionamento das bombas de água do
circuito secundário e resultando em economia de energia.
Ma e Wang (2009) realizou uma experiência em um prédio de 98 andares
em Hong Kong trabalhando estratégias para sistemas com bombas de velocidade
variada através de inversores de frequencia em diferentes modelos. Neste estudo,
utilizou-se um diferencial de pressão que variou de acordo com a necessidade de
refrigeração do prédio, formulando um sistema de otimização de sequencia de
controle das bombas. Esta sequencia determina o número ótimo de bombas a serem
ligadas de acordo com o carregamento necessário. Também permite o controle das
bombas do circuito primário, que alimenta os chillers, e mostrou que com estas
modificações foi possível alcançar uma economia de 12% a 32% de energia elétrica
nas bombas.
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3 OBJETIVOS
3.1 Objetivo geral
O objetivo geral deste estudo foi realizar alterações no sistema de água
gelada da fábrica através de modificações de parâmetros operacionais visando à
redução do consumo energético do sistema de condicionamento de ar de uma
indústria de semicondutores.
Os parâmetros estudados deverão ser ajustados de forma a trabalharem de
forma otimizada, reduzindo o consumo de energia elétrica e evitando desperdícios e
sobrecargas nos sistemas envolvidos.
3.2 Objetivo específico
- Diagnosticar o sistema tarifário (verde/azul) em que a empresa se
enquadra ou está enquadrada (demanda e oferta);
- Adequar demanda da empresa à oferta da companhia distribuidora, se
aplicável;
- Propor ações para redução do consumo de energia elétrica alterando o set
point do diferencial de pressão que controla as bombas do circuito secundário da
central de água gelada.
- Montar uma metodologia de medição e controle dos circuitos secundários
de água gelada, de forma a avaliar a solução mais econômica.
- Avaliar a redução no consumo de energia elétrica.
4 METODOLOGIA
4.1 DESCRIÇÃO DO SISTEMA
De acordo com o manual técnico da M+W Zander (2008), a fábrica utiliza
água gelada, na temperatura de 8 ºC para as seguintes funções:
- Condicionamento de ar para sala limpa, alimentando trocadores de calor nos
MAHU (Modular Air Handling Unit).
- Para diversos processos nos equipamentos de fabricação dos chips como água
de refrigeração.
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- Para refrigeração do sistema de geração de ar comprimido.
- No processo de tratamento de água Ultra Pura (UPW).
- Alimentando os trocadores de calor para controle de temperatura na sala limpa.
- Sistema de ar condicionado do prédio administrativo.
4.1.1 Descrição do sistema da central de água gelad a – sistema de alta
temperatura
A água é resfriada por uma central de água gelada (CAGHT) constituída
por:
- 2 unidades resfriadores de alta temperatura – HTCH 1 e HTCH 2 (8-16 ºC) com
compressores centrífugos, evaporadores, condensadores resfriados a água.
- 4 bombas de água gelada primárias para o sistema de alta temperatura – CHWP
1, CHWP 2, CHWP 3, CHWP 4 (8-16 ºC).
- 3 bombas de água gelada secundárias para o sistema de alta temperatura –
HTCHWP 1, HTCHWP 2, HTCHWP 3, (8-16 ºC) de ar condicionado dos MAHU
e prédio administrativo.
- 2 bombas de água gelada secundárias para o sistema de alta temperatura
HTCWP 4 e HTCWP 5 (8-16 ºC) de processo, utilizados no sistema de ar
comprimido (CDA – Clean Dry Air), água gelada de processo (PCW – Process
Colling Water) e água ultra pura (UPW – Ultra Pure Water).
- 2 bombas de água gelada secundárias para o sistema de alta temperatura RCC
– SCHWP 1, RCC – SCHWP 2 (12-18 ºC) das serpentinas de recirculação das
salas limpas.
- 2 tanques de expansão fechados para o sistema de alta temperatura.
- 3 torres de resfriamento CT1, CT2, CT3.
- Sistema de tratamento automático de qualidade de água de condensação das
torres, com bombas, tanque de produtos químicos.
- 1 trocador de calor de água gelada - CHWX 1 (4,5-10 ºC / 8-16 ºC).
- Válvulas de controle, válvulas de bloqueio, tubulação e demais acessórios.
- Quadros elétricos na CAG.
A Figura 6 mostra o esquema do supervisório do sistema secundário de
distribuição de água gelada com os três circuitos (MAHU,PCW/UPW e RCC) e seus
parâmetros de controle.
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Figura 6 – Supervisório – Sistema secundário da Central de água gelada.
Fonte: print screen da aplicação do software Blue Plant da Altus.
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As Bombas de água gelada secundárias de alta temperatura para ar
condicionado (8-16 ºC) fazem a circulação da água entre o barrilete e os
condicionadores de ar MAHUs, RCUs e FCUs do Prédio de Produção e alimentação
de água para o Prédio da Administração.
Entre os barriletes de sucção e descarga destas bombas, existe uma válvula
de 2 vias pressostática para uma vazão mínima de 67 m³/h, controlada pelo sensor
de pressão da linha principal e pelo medidor de vazão.
As Bombas de água gelada secundárias de alta temperatura para processo
(8-16 ºC) fazem a circulação da água entre o barrilete e os equipamentos de
processo situados nas salas de UPW (Ultra Pure Water), PCW (Process Colling
Water) e CDA (Clean Dry Air) do Prédio de Produção.
Entre os barriletes de sucção e descarga destas bombas, existe uma válvula
de 2 vias pressostática para uma vazão mínima de 40 m3/h, controlada pelo sensor
de pressão da linha principal e pelo medidor de vazão.
As Bombas de água gelada secundárias de alta temperatura para ar
condicionado das serpentinas de recirculação (12-18 ºC) fazem a circulação da água
entre o barrilete e as respectivas serpentinas das salas limpas do Prédio de
Produção.
Entre os barriletes de sucção e descarga destas bombas, existe uma válvula
de 2 vias pressostática para uma vazão mínima de 25 m3/h, controlada pelo sensor
de pressão da linha principal e pelo medidor de vazão.
Para o desenvolvimento do trabalho foram utilizadas medições dos
parâmetros de distribuição de água gelada do sistema de alta temperatura como
temperatura a água gelada e diferencial de pressão do sistema para verificar as
condições de funcionamento. Também foi medida a frequência de funcionamento
das bombas de distribuição secundárias para medição e comprovação de redução
de consumo de energia elétrica.
Todos estes parâmetros foram disponibilizados pelo sistema de automação
Blue Plant (Altus) dos sensores instalados, que permite a visualização e registro dos
dados através de um sistema de supervisório.
Os dados armazenados no supervisório para cada um dos parâmetros foi
exportado para planilhas eletrônicas, onde foram calculadas as médias e desvio
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padrões para serem analisados em um formato matematicamente fácil de ser
visualizado, uma vez que o número de dados armazenado é muito grande.
Os parâmetros de controle medidos foram:
Diferencial de pressão (bar): É a medida do diferencial de pressão medido
na saída da bomba do sistema secundário com a pressão de retorno da água após
percorrer todo o sistema. Este é o parâmetro controlável no sistema e que influencia
em todos os outros, onde é determinado um set point que controla o inversor de
frequência da bomba d’água, aumentando ou diminuindo seu carregamento.
Percentual de carregamento do motor da bomba (%): Este parâmetro
mostra o percentual de carregamento de cada motor elétrico, de acordo com a
frequência do inversor determinada de funcionamento para cada condição de
serviço. É através deste parâmetro que será calculado o custo de energia elétrica
para cada situação de funcionamento.
Temperatura de água gelada (ºC): Reflete se as condições de serviço
estão dentro do parâmetro de controle e se está atendendo o processo. Este
parâmetro poderá variar, pois depende também da mistura da água de retorno
(16ºC) pelo by-pass com a água de alimentação (8ºC).
Temperatura externa do ambiente (ºC): É monitorada para comparar a
influência da temperatura ambiente com funcionamento do sistema.
Após a aquisição, os dados foram analisados e comparados em cada uma
das situações. A potência consumida nos motores das bombas e a economia de
energia elétrica foram calculadas através da rotação do inversor de frequência,
quantificando-se os ganhos com as alterações realizadas e definindo-se qual o
melhor set point de diferencial de pressão a ser adotado.
Foi realizada uma analise do período de 1º de agosto até 24 de outubro de
2014, onde foi definido set points do diferencial de pressão e verificados seus efeitos
no sistema, verificando os parâmetros definidos anteriormente através do banco de
dados do supervisório do sistema de automação da empresa para os sistemas
secundários de água gelada que distribuem para os MAHU/Prédio administrativo e
para alimentação de água gelada de processo (PCW – Process Cooling Water)
/UPW (Água Ultra Pura). A linha de distribuição para o circuito RCC não será
analisada neste trabalho, por ser uma linha de vazão pequena (7 m³/h) e pouca
potência do motor da bomba comparando com as demais, não havendo um
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consumo de energia elétrica significativo para o sistema de água gelada.
Para o cálculo de estimativa de consumo de energia elétrica anual foi
utilizada a Equação (1), retirada do material da disciplina de EAD1653 - Economia,
Gestão e Auditorias da Energia deste curso de Especialização em Eficiência
Energética Aplicada aos Processos Produtivos.
E������������ =%���������
�%×�º�����/� �×�º� ��/��� (1)
Onde:
% Carga – porcentagem da carga nominal, em uso efetivo;
Pnom – Potência nominal entregue no eixo, em kW;
η – Porcentagem do rendimento da bomba;
nº horas/dia – tempo de uso diário;
nº dias/ano – número de dias em uso por ano.
O cálculo de valor economizado em energia elétrica é calculado pela
equação (2), onde se devem verificar proporcionalmente os consumos de horários
de ponta e fora ponta.
!"#$�$%&'()(�(�$ = *+$�,( × !"#$�$%.+$�,( + */$0(+$�,( × !"#$�$%./$0(+$�,(
(2)
Onde:
Vponta = Valor do kW.h no horário de ponta, em R$;
Eeconom.ponta = Energia elétrica economizada em horário de ponta, em kW.h;
Vforaponta = Valor do kW.h no horário fora de ponta, em R$;
Eeconom.foraponta = Energia elétrica economizada em horário fora de ponta,
em kW.h.
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
5.1 Sistema tarifário de energia elétrica da empres a
Atualmente a empresa está enquadrada na classificação tarifária Horo-
Sazonal Verde, Subgrupo A4 (2,3 kV/25 kV) industrial e possui uma demanda
contratada de 2.300 kW.
Devido ao grau de controle e precisão das condições ambientais e de
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processo da fábrica, o consumo de energia elétrica se mantém praticamente
constante durante todo o ano, havendo alguma variação de consumo entre o inverno
e verão para manter a temperatura e umidade relativa do ar constante Por este
mesmo motivo, o funcionamento da fábrica ocorre 24 horas por dia, 365 dias por
ano, não havendo diferenciação entre o consumo de ponta e consumo fora de ponta.
A Figura 7 apresenta o consumo mensal de energia elétrica para os anos de 2013 e
2014.
Figura 7 – Consumo de energia elétrica da fábrica em KWh x mês.
Pode-se observar na Figura 7 que no mês de fevereiro de 2013 o consumo
foi muito abaixo do normal. Isto ocorreu por problemas de medição da
concessionária, sendo que este dado deve ser desconsiderado.
0
200.000
400.000
600.000
800.000
1.000.000
1.200.000
1.400.000
1.600.000
KW
h
Mês
Consumo Total
2013
2014
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Tabela 1 – Tarifas do Grupo A da CEEE-D
SubGrupo Modalidade Tarifária
Encargo Unidade Valor em R$
AZUL
Demanda Ponta
kW 22,06000
A4
Demanda fora Ponta
kW 7,21000
Energia Ponta
kWh 0,28425
Energia Fora Ponta
kWh 0,18066
VERDE
Demanda kW 7,21000
Energia Ponta
kWh
0,82104
Energia Fora ponta
kWh 0,18066
Fonte: CEEE-Distribuidora
Na Tabela 1, podem-se verificar os custos de energia da distribuidora para
os dois casos em que a Ceitec pode ser enquadrada, no grupo tarifário A4 Azul ou
Verde.
A partir destes dados, determinou-se qual grupo resulta em menor custo de
energia elétrica, de acordo com as características de consumo da empresa. Dessa
forma, escolheu-se um mês típico para realizar o cálculo. O mês típico foi escolhido
com sendo o mês mais próximo da média encontrada no período analisado. Neste
caso será estudado o mês de outubro de 2014. Os cálculos não incluem os
impostos.
A partir da fatura deste mês, podem-se extrair os seguintes dados para o
cálculo estimativo da fatura:
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Tabela 2 – Comparação de estimativa das tarifas azul e verde
para o mês de outubro de 2014
CUSTOS (R$) Dados da fatura Modali
dade Tarifári
a
Demanda ponta
Demanda fora ponta
Consumo
ativo
ponta
Consumo ativo
fora ponta
Custo total
Demanda contratada
2.300 kW
AZUL
Demanda lida
1.828 kW 50.738,00 16.583,00 27.441,21 ;<=. ><?, @? A<>. ;>=, ?<
Consumo
ativo ponta
96.539 kWh
VERDE
Demanda
Consumo ativo fora
ponta
987.360 kWh
16.583,00
79.262,38
178.376,46
274.221,84
Os resultados dos cálculos mostram em um primeiro momento que as tarifas
azul e verde se equivalem, tendo uma diferença na conta de 0,37% entre as duas,
sendo a tarifa horo-sazonal azul a de menor valor total.
Isso mostra que é recomendado realizar um estudo mais profundo em toda
sistemática da fábrica em busca de adequá-la para a tarifa azul antes de realizar
qualquer modificação. Esta adequação pode ser principalmente em busca de
diminuir a demanda de ponta, pois o impacto financeiro deste tipo de redução é
maior.
Este estudo deve envolver todos os aspectos de operação da fábrica para
que em uma eventual redução da demanda contratada de ponta, não se ultrapasse
o valor contratado de demanda para evitar pesadas multas que colocaria todo o
trabalho a perder.
5.2 Estimativa de economia de energia
Com o resultado das experiências realizadas nos dois circuitos secundários
de água gelada, pode-se estimar a quantidade de energia elétrica economizada
anualmente com as modificações dos parâmetros de diferencial de pressão para um
valor de melhor eficiência energética. Para isto basta somar as energias
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economizadas estimadas nos dois casos.
Utilizando os valores da tabela de tarifas da concessionária, pode-se
calcular a economia financeira estimada das modificações realizadas, que para tarifa
verde são:
Custo energia ponta: R$ 0,82104;
Custo energia fora ponta: R$ 0,18066.
De acordo com a Resolução Normativa ANEEL nº 414/2010 o horário ponta
corresponde a três horas diárias e o período fora ponta as outras 21 horas do dia.
Ou seja, do consumo total estimado economizado, 12,5% corresponde ao horário de
ponta e 87,5% no horário fora de ponta, considerando que os consumos sejam os
mesmos dentro destes horários.
5.3 Sistema secundário de água gelada do MAHU e pré dio administrativo
Neste sistema normalmente opera uma das bombas com 40 HP de potência
nominal que funciona modulada pelo inversor de frequência através de set points de
diferencial de pressão pré-definidos. As características desta bomba podem ser
visualizadas no Anexo 1.
As médias e desvio padrão dos parâmetros para cada situação de set point
adotado é demostrada na Tabela 3, abaixo:
Tabela 3 – Parâmetros do sistema secundário de distribuição de água
gelada dos MAHU e Prédio Administrativo
Set point ∆p
(bar)
% carga do
motor Temper. externa
(ºC) Temper. Água
gelada(ºC) Σ σ Σ σ Σ σ
0,74 79,46 3,86 16,90 4,56 11,72 0,76 0,69 76,68 3,80 15,30 3,48 11,14 0,63 0,58 75,32 3,97 19,30 4,57 10,82 0,77 0,66 77,26 2,65 20,04 2,26 10,75 0,58
A Figura 8 apresenta os dados do sistema secundário dos MAHU e Prédio
Administrativo:
20
Figura 8 – Parâmetros do sistema secundário de distribuição de água gelada dos MAHU e Prédio
Administrativo.
Através da Figura 8, podem-se visualizar as diferentes situações de acordo
com o diferencial de pressão adotado, sendo que podem ser observadas algumas
características deste circuito do sistema secundário de água gelada, como:
Devido a este circuito estar alimentando as centrais de condicionamento de
ar do prédio fabril e prédio administrativo, pode-se observar através da Tabela 3 que
a temperatura externa influencia bastante no carregamento do circuito, verificado
que pela variação de temperatura encontrada através dos valores de desvio padrão
também resulta em um valor de desvio padrão semelhante no percentual de
carregamento dos motores.
Outra constatação que pode ser verificada é que um set point de diferencial
de pressão elevado além de consumir mais energia desnecessariamente, prejudica
o circuito com o aumento da vazão solicitada para manter o diferencial de pressão
alto, e acaba utilizando maior quantidade de água de retorno (16ºC) na mistura com
a água de alimentação (8ºC) elevando a temperatura da mistura. Isto pode ser
visualizado na temperatura da mistura de água gelada a 11,72ºC que também
prejudica a troca de calor nas serpentinas dos condicionadores MAHU.
Dentre as situações observadas, pode-se verificar que a melhor situação de
0,00
0,10
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
01
/ag
o
08
/ag
o
15
/ag
o
22
/ag
o
29
/ag
o
05
/se
t
12
/se
t
19
/se
t
26
/se
t
03
/ou
t
10
/ou
t
17
/ou
t
24
/ou
t
bar
% /
°C
TEMP. DA
MISTURA
AG_MAHU
Média da
Temp. Externa
% CARGA DA
BOMBA DAS
MAHUs
ΔP MAHU
MELHOR FAIXA DE
OPERAÇÃO
21
desempenho do sistema é a de 0,58 bar, resultando num menor carregamento
médio do motor da bomba (75,32%), mesmo apresentando maior adversidade
relativo as temperaturas externas médias, que apresentaram maior variação
justamente neste período de amostragem.
O próximo passo é calcular a capacidade de economia de energia elétrica
anual adotando-se estes novos parâmetros de funcionamento, comparando o
consumo da situação inicial de set point a 0,74 bar com a situação mais econômica
de 0,58 bar, onde os resultados são demonstrados na Tabela 4.
Tabela 4 – Estimativa de Economia de Energia Elétrica para o circuito dos
MAHU/Prédio Administrativo
Dados dos motores
Diferencial de pressão
% de carregamento do motor
Consumo anual
Energia Economizada
estimada
Valor economizado
estimado
Potência nominal
29,83 kW
0,74 bar
0,58 bar
0,69 bar
0,66 bar
79,46%
247.187,6
kWh/ano
0,0 kWh/ano
R$ 0,00
Rendimento nominal
nº horas/dia
84%
24 h
75,32%
76,68%
234.308,7
kWh/ano
238.539,4
kWh/ano
12.878,9
kWh/ano
8.648,1
kWh/ano
R$3.357,62
R$2.254,64
nº dias/ano
365 dias
77,26%
240.343,7kWh/ano
6.843,8
kWh/ano
R$1.784,24
A economia de energia elétrica entre a situação inicial e a de menor
consumo estimado é de 12.878,89 kW. h por ano, ou seja, 5,2%, sendo um valor
significativo para o circuito adotado.
5.4 Sistema secundário de água gelada de PCW, UPW e CDA
Neste circuito opera normalmente uma das bombas com 25 HP de potência
nominal que funciona modulada pelo inversor de frequência através de set points de
diferencial de pressão pré-definidos. As características desta bomba podem ser
visualizadas no Anexo 2.
As médias e desvio padrão dos parâmetros para cada situação de set point
adotado é demostrada na Tabela 5.
22
Tabela 5 – Parâmetros do sistema secundário de distribuição de água
gelada do PCW, UPW e CDA
Set point: ∆p (bar)
% carga do motor
Temper. externa (ºC)
Temper. Água gelada(ºC)
Σ σ Σ σ Σ σ 0,76 75,04 0,79 16,90 4,56 11,68 0,77 0,70 73,80 0,28 15,30 3,48 11,40 1,25 0,66 72,43 0,46 19,30 4,57 10,95 0,59 0,53 69,26 0,62 20,04 2,26 10,83 0,61
Fonte: Supervisório Blue Plant – Ceitec S.A
A Figura 9 apresenta as características de funcionamento do circuito
secundário de PCW e UPW.
Figura 9 – Parâmetros do sistema secundário de distribuição de água gelada de PCW, UPW e CDA.
Analisando os dados e gráficos deste circuito, pode-se verificar que
diferentemente do circuito dos MAHU, ele sofre uma baixa influência da temperatura
externa. Isto se explica por ser um circuito fechado de refrigeração de água para os
processos de fabricação de chips e de água ultra pura, onde já se trabalha em
ambientes controlados.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
01
/ag
o
08
/ag
o
15
/ag
o
22
/ag
o
29
/ag
o
05
/se
t
12
/se
t
19
/se
t
26
/se
t
03
/ou
t
10
/ou
t
17
/ou
t
24
/ou
t
bar
% /
°C
TEMP. DA
MISTURA
AG_PCW
Média da
Temp.
Externa
% CARGA DA
BOMBA DO
PCW/UPW
ΔP
PCW/UPW
MELHOR FAIXA DE OPERAÇÃO
23
Isto significa que neste circuito o processo é muito mais estável, sendo
comprovado pelos baixos valores de desvio padrão encontrados, facilitando o
controle de temperatura e vazões de água para distribuição ao processo.
Igualmente ao outro circuito, pode-se verificar que um número alto de
diferencial de pressão leva a ter uma maior mistura da água de alimentação (8ºC)
com a água de retorno (16ºC) aumentando a temperatura da água que retorna para
o processo. Isto é comprovado, pois quanto menor o diferencial de pressão, menor é
a temperatura da água gelada que alimenta o processo.
Dentre os valores observados, a melhor alternativa de diferencial de pressão
a ser adotado é de 0,53 bar, onde se obteve menor valor de carga no motor,
consumindo assim menos energia elétrica, além de reduzir a mistura da água de
alimentação do processo.
A Tabela 6 demonstra o comparativo de consumo de energia entre os
diferenciais de pressão adotados.
Tabela 6 – Estimativa de Economia de Energia Elétrica
para o circuito de PCW/UPW e CDA
Dados dos motores
Diferencial de pressão
% de carregamento do motor
Consumo anual
Energia Economizada
estimada
Valor economizado
estimado Potência nominal
18,64 kW
0,76 bar
0,53 bar
0,70 bar
0,66 bar
75,04
157.089,9
kWh/ano
0,0 kWh/ano
R$ 0,00
Rendimento nominal
78% 69,26 144.989,9
kWh/ano
12.099,9
kWh/ano
R$ 3.154,54
nº horas/dia
24 h
73,80
154.494,1kWh/ano
2.595,8
kWh/ano
R$676,75
nº dias/ano
365 dias
72,43
151.626,0kWh/ano
5.463,8
kWh/ano
R$1.424,46
A economia estimada neste caso é de 12.099,94 kW.h/ano, sendo que o
consumo é 7,7% menor que a condição original.
Pode ser também verificado neste caso que o ganho de rendimento foi
maior. Isto pôde ser alcançado devido ao processo ser mais estável e com menos
variações de temperatura e carga térmica no circuito.
24
6 CONCLUSÕES
Através do trabalho realizou-se uma estimativa de economia de energia
para as bombas do sistema secundário de água gelada. Por não possuir medidores
de energia específicos para este sistema não foi possível realizar a medição real da
energia economizada, porém a estimativa é valida, pois a aquisição, tratamento dos
dados e cálculos para se chegar aos resultados foram bastante consistentes.
As estimativas de economia de energia do circuito dos MAHU de 5,2% e do
circuito de PCW/UPW/CDA de 7,7% encontradas são significativas para seu
sistema, e devido ao tamanho dos motores e bombas instalados representam um
valor considerável de energia elétrica com potencial de economia. Novas situações
devem ser continuamente estudadas e monitoradas para manter o sistema dentro de
parâmetros econômicos de operação.
Para o circuito de água gelada dos MAHU, a estimativa de economia é de
até 12.878,89 kWh/ano ou R$ 3.357,62. Para o circuito de água gelada de PCW,
UPW e CDA, a economia estimada é de 12.099,94 kWh/ano ou R$ 3.154,54. Ao
total pode ser estimada uma economia de até R$6.512,16 por ano.
Foi montada uma metodologia para medir e estudar os dados para uma
melhor condição de trabalho para os circuitos secundários de água gelada visando
melhorias econômicas e operacionais através da determinação do melhor set point
de diferencial de pressão a ser adotado.
Esta metodologia pode ser usada continuamente para medir novas
situações com set points diferentes de diferencial de pressão além dos analisados
neste trabalho, a fim de obter uma melhoria constante do sistema e obter resultados
ainda melhores.
A metodologia aplicada neste trabalho também pode ser facilmente
adaptada para outras centrais de água gelada do tipo circuito primário-secundário
sem maiores problemas, buscando para cada instalação o melhor ponto de trabalho
partindo da condição estabelecida na instalação até chegar a um valor otimizado
para cada caso.
É importante salientar que qualquer alteração que seja realizada deve ser
de forma gradual e controlada, para que os parâmetros de controle de água gelada
do sistema não sejam prejudicados e se mantenha a operação normal do sistema da
central de água gelada.
25
7 REFERÊNCIAS
Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL. Resolução nº 414, de 2010. Brasília: Diário Oficial da República Federativa do Brasil, 2010.
American Society of Heating, refrigerating and Air-Conditioning Engineers - ASHRAE. ASHRAE Handbook - HVAC Applications. Chapter 16 Cl ean Space. Atlanta: ASHRAE, 2007. 20 p.
BUSCH J. Cleanroom of the Future: An Assessment of HVAC Ener gy Savings Potential In a Semiconductor Industry Facility. Berkeley: Environmental Energy Technologies Division Lawrence Berkeley National Laboratory, 1998. 9 p.
Companhia Estadual de Energia Elétrica – CEEE. Tabela de Tarifas – Grupo A . Porto Alegre: CEEE Distribuidora, 2014. Disponível em: < http://www.ceee.com.br/pportal/ceee/archives/Tabela%20de%20Tarifas%20do%20Grupo%20A.pdf>. Acesso em: 20 nov. 2014.
DISSASEKERA, M. Electricity Saving and Cost Reducing Through Chille r System Optimization. International Conference on Information and Automation for Sustainability (ICIAFs), 5. 2010, Colombo, Sri Lanka: 2010. p. 244-249.
HEATING & COOLING TECNOLOGIA TÉRMICA LTDA. Manual de Operação e Manutenção do Sistema de Ar Condicionado. São Paulo: 2008.
HU, S. et al. Power consumption benchmark for a semiconductor cle anroom facility system, Energy and Buildings. Energy and Buildings, V40. 2008. p. 1765-1770.
INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION - ISO. ISO 14644-1:99 - Cleanrooms and associated controlled environ ments – Part 1: Classification of air cleanliness. Geneva: 2007. 18 p.
JOHNSON CONTROLS. Economia de energia: vazão variável no primário. Guia de informações técnicas em HVAC-R. Número 03. 2006. 4p.
LU, L.; CAI, W. A New Approach To Set Point Control In Chilled Wate r Loops. International Refrigeration and Air Conditioning Conference, 624., 2002, Lafayette. Disponível em: < http://docs.lib.purdue.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1623&context=iracc> Acesso em: 20 nov. 2014.
M+W ZANDER. Process Logic Control System and MCC/VFD for CEITEC . Make Up Air Handling Units and smoke exhaust cleanroom - FE GmbHD-70499, Stuttgart: 2008.
MA, Z.; WANG, S. Energy Efficient Control of Variable Speed Pumps in Complex
26
Building Central Air-Conditioning Systems. Energy and Buildings, Vol. 41. 2009. p. 197-205.
MATSUKI M.; TANAKA N. Energy Saving System for Air Conditioning of Clea n Room for Semiconductor Factory (Estimation of FMU S ystem). Oki Technical Review, Vol. 63: Special Issue on Global Enviroment: UDC. 1998. p. 49-52.
TAYLOR, S. T. Primary-Only vs. Primary-Secondary Variable Flow Sy stems. Atlanta: ASHRAE Journal, 2002. 5p.
27
ANEXO 1 - Bomba do circuito secundário dos MAHU e Prédio Administrativo (HTCHWP 1, HTCHWP 2 e HTCHWP 3)
28
ANEXO 2 - Bomba do circuito secundário de PCW, UPW e CDA (HTCWP 4 e HTCWP 5)